Enfriamiento del agua contenida en un botijo
Se ofrece información sobre la explicación del enfriamiento del
agua contenido en los botijos y, en general, en cualquier otro recipiente de
cerámica porosa.
Esta investigación se realizó con un
carácter pedagógico, para facilitar el aprendizaje, a nivel universitario, de
conceptos de una gran variedad de temas, como son balance de calor y de
materia, termodinámica, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos, con
interés para alumnos de Ciencias e Ingenierías. La temática abarcada puede ser
también de interés para el público general, así como para que profesores de
bachillerato y educación secundaria planteen actividades educativas.
Los
resultados se recogieron en la publicación: J.I. Zubizarreta, G. Pinto, “An ancient method for cooling
water explained by means of mass and heat transfer”, Chemical
Engineering Education, Vol. 29, pp. 96-99 (1995).
Alcanzó
cierta repercusión informativa en España al realizar un reportaje al respecto
el periodista Antonio Jiménez (EL
PAÍS, 24 de agosto de 1994).
Introducción:
En algunos libros de Física y Química se
encuentran referencias al efecto térmico que experimenta el agua contenida en
un botijo (o, en general, cualquier recipiente de cerámica porosa), como
ejemplo de enfriamiento por evaporación.
En otras palabras, el "funcionamiento" de un botijo se ha considerado
bien entendido desde hace años: debido a la porosidad de la cerámica, se exuda
agua al pasar a través de los poros (por capilaridad), que al evaporarse toma
el calor latente de vaporización del agua de su interior, consiguiendo que ésta
se enfríe. La temperatura más baja a la que puede llegar el aire por
evaporación del agua en su seno o temperatura
húmeda del aire, determinará la temperatura mínima teórica que puede
alcanzar el agua contenida en un botijo. Esta temperatura depende de la
temperatura del aire, de la humedad relativa y de la presión atmosférica. En
todo caso, además del enfriamiento que se produce a medida que se evapora el
agua, se produce un calentamiento debido al propio aire (más caliente) que
rodea al agua del botijo.
La propia definición del término botijo por
el Diccionario de la Lengua Española de la Real Academia lo describe como "vasija
de barro poroso que se usa para refrescar agua".
De esta forma, el efecto cualitativo de
enfriamiento del agua está bien comprendido. Lo que no llegamos a encontrar en
la revisión bibliográfica que hicimos en los años noventa fue algún trabajo
donde se cuantificase la variación de temperatura del agua contenida en un
botijo.
De esta manera, para que un botijo sea
eficiente, requiere transpirar el agua y encontrarse en un ambiente seco. Esta
situación, característica del clima mediterráneo, con veranos secos, supone una
cierta rareza climática ya que, en el resto del mundo, con algunas excepciones,
los veranos son húmedos y, en ellos, el botijo no tendría tanto sentido, porque
el agua no se enfriaría. En la siguiente figura, se muestran en rojo las zonas
donde el botijo tiene más sentido a nivel climático.
Resultados experimentales:
Brevemente, y tras unos ensayos previos, el
experimento que realizamos y que se recogió con más detalle en el artículo ya
citado fue el siguiente:
En un botijo clásico se introdujeron
Ecuaciones:
El modelo seguido, que se encontró válido
para explicar los resultados experimentales, supone una geometría esférica para
el botijo, y se basa en procesos de transferencias de calor y masa bien
conocidos.
El esquema del modelo seguido es el
siguiente:
Dos ecuaciones diferenciales describen el
proceso que tiene lugar:
donde las magnitudes implicadas son:
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V, volumen o masa de agua CP, capacidad calorífica del agua T ó q, temperatura del agua t, tiempo hC, coeficiente de convección a, superficie externa del agua |
TG ó qG, temperatura del aire TS ó qS, temperatura de la superficie del agua fe s, coeficiente de radiación de calor 4p r2, superficie total del botijo s, superficie del agua en contacto con el aire |
U, coeficiente de transmisión de calor del agua lW, calor de vaporización del agua K', coeficiente de transferencia de masa para el agua HS, humedad de saturación H, humedad del aire |
Para facilitar la comprensión de lo expuesto,
lo presentamos en estas dos figuras:
Modelo geométrico y cuantificación de la
velocidad de evaporación del agua:
Variación
térmica del agua con el tiempo:
Algunos enlaces sobre el tema:
En agosto de 2016 Google recoge cerca de medio millón de direcciones Web donde se
encuentra el término “botijo”. Muchas se refieren de alguna manera (incluida Wikipedia) al
trabajo que se ha resumido en esta dirección y que se suele resumir como “La
fórmula del botijo”. Aunque hay de todo (como información sobre camisetas con
la fórmula, figuras variadas, etc.), un buen número son artículos que se
refieren a discusiones sobre la termodinámica del proceso o explicaciones sobre
distintos aspectos relacionados con la alfarería. Entre todas ellas destacamos,
para completar la perspectiva del tema, las siguientes:
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Una contribución en
la Web de Divulgación Científica Naukas, con el título de “Un frigorífico de cerámica:
ciencia y técnica en acción”. G. Pinto. Febrero 2016. Acceso.
-
Capítulo de
libro: “Enfriamiento del agua en recipientes porosos: un recurso para la
formación en competencias”. G. Pinto, M. Martín Sánchez, M.T. Martín Sánchez. “IV
Congreso de Docentes de Ciencias: Jornadas sobre Investigación y Didáctica en
ESO y Bachillerato”, M. González Montero de Espinosa, A. Baratas Díaz y A.
Brandi Fernández (Editores). Ed. Santillana, Madrid (2017). En prensa. Cuando se publique se
incluirá aquí el enlace, pero puede solicitarse la publicación ya a los
autores. Aparte de explicarse el fenómeno para sugerirlo como tema didáctico en
los distintos niveles educativos, se comentan implicaciones y relaciones con el
clima, el refrigerador conocido como zeer o pot-in-pot, e
incluso el juguete científico conocido como pájaro bebedor.
-
Artículo donde se
detalla el mapa mundial de potenciales áreas del uso del botijo, realizado por
D. Andrés Martínez de Azagra y D. Jorge del Río, de
la Universidad de Valladolid. World map of potential
areas for the use of water cooling pitchers (botijos), Journal of Maps, Vol.
11 (2), 240-244 (2015).
-
Detalles
sobre la termodinámica del botijo. Por ejemplo, se explica qué es la temperatura
húmeda del aire y su importancia en el tema. Autor: D. Jesús Soto.
-
La
cerámica del agua y su relación con la aridez. Trabajo de D. Alberto Linés Escardó, realizado en 1983, donde explica aspectos
variados sobre los botijos: historia de la alfarería, tipos de arcilla,
termodinámica del proceso de enfriamiento, geometría, influencia del clima
(predicción de tipos de tormentas, etc.).
-
Una aplicación
del trabajo descrito para alumnos de Educación Secundaria: Evaluación
de diagnóstico diseñada en la Consejería de Educación, Ciencia y Cultura de
Castilla- La Mancha en 2011.
-
Entrevista en el
Diario.es (7 de junio de 2015) a D. Arturo Mombiedro,
con el título de “Es una suerte poder conjugar el lenguaje del cine con el de
la ciencia”. Se realizó con motivo del premio que recibió por el cortometraje ‘El
mecanismo de un botijo’, en el Certamen
Nacional Reacciona, en el que explica la capacidad de enfriamiento de este
recipiente tradicional de manera tan científica como sencilla. En la entrevista
señala que investigando sobre la físico-química del botijo, y consultando con una
profesora, descubrieron la información que se recoge en esta página Web,
indicando: “Descubrimos un mundo
apasionante sobre el botijo, así que me puse a hacer el vídeo para explicar de
la manera más sencilla y didáctica una ecuación tan compleja”. Reportaje
(donde se incluye el cortometraje).
-
Artículo de D.
Eduardo Valero García, publicado en Historia
Urbana de Madrid (27 de junio de 2015), con el título de “Fototeca.
Madrileño y Botijo”. Recoge información sobre coplas, dibujos, fotografías y
otras curiosidades sobre el uso del botijo en el siglo XIX y principios del XX.
Incluye una referencia a esta página Web. Acceso.
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Artículo donde se
resume y expone con claridad la “física del botijo”, realizado por los
profesores D. Jean-Michel Courty y D. Édouard Kierlik en la revista Investigación y Ciencia (número de julio
de 2016). Acceso.
Botijos
contra el cambio climático: propuesta de la Fundación Tierra.
-
Ilustración
del proceso de fabricación de objetos de cerámica
-
Museu del càntir de Argentona (Barcelona)
-
Museo del botijo de Villena (Alicante)
-
Museo del botijo de Toral
de los Guzmanes (León)
Como se señala
en algunas de las referencias anteriores, una aplicación muy interesante de
este fenómeno térmico la desarrolló el profesor nigeriano Mohammed Bah Abba
(1964-2010), quien ideó un “frigorífico sin electricidad” que funciona al
disponer dos recipientes de cerámica porosa separados de arena humedecida. Con
ello consigue un descenso de temperatura que favorece la conservación de
alimentos; cuestión vital para los habitantes de su entorno desértico. Se
informa sobre esto en las páginas Web de los premios Rolex. Se recogen aquí más detalles sobre
el trabajo del Prof. Abba y algunas fotografías con su invención. Sirva
como un modesto homenaje a su memoria.
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El libro “Si Galileo levantara la
cabeza”, publicado por Óscar Giménez
el año 2004, contiene más de doscientos
ejemplos de investigaciones curiosas y divertidas que, con rigor científico,
están publicadas en revistas biomédicas.
Óscar Giménez es licenciado en
historia y periodista y redactor jefe de la revista JANO, Medicina y
Humanidades. La introducción a su libro se titula “la culpa fue
del botijo”, y alude en ella a que fue el conocimiento sobre la investigación desarrollada acerca del
efecto térmico del botijo la que le motivó, hace unos años, a pensar en la
edición de un libro de esas características.
Se
agradece a los profesores, investigadores y aficionados a la ciencia en
general, que citan esta página Web o los trabajos publicados sobre el tema.
Esta información está preparada por los profesores:
Última
actualización: 5 de agosto de 2016